Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор 7
1.1 Особенности формирования газовой фазы в молочных ироду к і ах 7
1.2 Современные представления о механизме стабилизации пенообразной структуры молочных продуктов 21
1.3 Направления интенсификации технологий пенообразных молочных продуктов 34
1.4 Обоснование направлений собственных исследований, их цель и задачи 41
ГЛАВА 2. Meгодика проведения исследований 50
2.1 Организация экспериментов 50
2.2 Объекты исследований 57
2.3 Методы исследований 57
ГЛАВА 3. Экспериментальная часть 60
3.1 Сравнительная оценка способов получения газожидкосгных дисперсных систем 60
3.2 Моделирование процесса формирования молочных ГДС в зависимости от различных технологических факюров 72
3.3 Изучение влияния способов внесения расшгельною сырья на закономерности формирования молочных ГДС 82
3.3.1 Изучение химического состава ягод 83
3.3.2 Влияние ягодных пюре на органолептические характеристик ГДС 89
3.4 Рецептуры и технолої ия аэрированных молочных продуто» 95
3.5 Микробиологические, оргаиолептические и фишко-химические характеристики 99
3.6 Расчет ожидаемой экономической эффективиосш 102
Выводы 107
Список использованных источников
- Современные представления о механизме стабилизации пенообразной структуры молочных продуктов
- Направления интенсификации технологий пенообразных молочных продуктов
- Объекты исследований
- Изучение влияния способов внесения расшгельною сырья на закономерности формирования молочных ГДС
Введение к работе
Практическое достижение целей Концепции гоеударсівениой политики в области питания населения Российской Федерации неизбежно связано с совершенствованием традиционных и созданием новых технологий переработки молока. Эю можно объяснить гсм, чго оно содержит все пищевые вещества, необходимые для поддержания жизни и здоровья оріаниіма человека. Высокая пищевая и биолої ическая ценность молока обусловлена не юль-ко содержанием в нем белков, липидов, углеводов, минеральных солей и бла-гоприяшым их соотношением, но и специфическим составом указанных комионенюв. Эгим объясняется наличие широкою ассортимента продуктов, вырабатываемых предприятиями молочной промьішленносіи. Весьма серьезные успехи достигнуты в разработке технологии продукции заданною состава и свойств (втом числе для детского и функциональною пиіания), продуктов на основе вторичною сырья, а также с применением модификаторов, имитаторов и стабилизаторов.
В настоящее время активно проводятся исследования и разработки новых направлений в производстве молочных продуктов, соответствующих современному уровню развития молочной индустрии. Одно из них - создание технологии аэрированных, или так называемых пенообразных молочных продуктов. Ниша для взбитых молочных продуктов на рынке все еще свободна. Ими могут быть творожные десерты, суфле, кремы и другое. Очевидно, преимущество тут за десертами, т. е. сладкими продукіами, но іакже бу-дуі востребованы и пикантные. Главные плюсы пенообразных продуктов заключаются в том, что визуально они имеют большой объем при нежной и привлекаїельной консистенции, очень «покупабельпые» и бьісіро упоіреб-ляемые, а шачиг, обеспечивают производителю высокий уровень реализации. В связи с этим, изучение закономерностей формирования пенообразных дисперсных систем и факторов, влияющих на их свойства и состав, является актуальным.
О і дельные аспекты теории и практики пенообразовапия молочных объекюв рассмоіреньї в трудах Г.А.Кука, П.А. Ребиндера, И.П. Влодавца, И.II. Липатова, А.Г. Храмцова А.П. Белоусова, В.Д. Харитонова, АЛО. Просеко-ва, А.А. Храмцова, В.Д. Суркова, З.С. Зобковой, СМ. Кунижева, И,А, Евдокимова, 11.1'. І Іестеренко, С.С. Гуляева-Зайцева и друг их ученых.
В настоящее время существуют различные способы пенотенериро-вания. Применение установок роторно-пульсациопноїо гипа (РПУ) завоевывает все более значимые позиции при производстве аэрированных продуктов, так как они являются эффективными малообъемными смеси і елями, хорошо зарекомендовавшими себя. Также для получения взбитых продуктов используются диспергатор - взбивагель и диспергатор с принудительной подачей газа.
В отличие от других дисперсных систем, в пене (гаюжидкосшой дисперсной системе) сразу с момента ее получения возникает коніакі между отдельными газовыми пузырьками. Эта специфика пены как дисперсной системы определяет особенности ее устойчивости. Поэтому для стабилизации ценной структуры используют стабилизаторы. Стабилизаторы структуры ГДС — это поверхностпо-акгивные вещества, добавляемые в жидкие взбитые продукты для предотвращения коалесценции фазовых пузырьков и оседания пены. Как и другие коллоидные системы, ГДС термодинамически нестабильны. Газ и жидкость, из которых они состоят, стремятся образован^ два слоя с минимальной поверхностью раздела фаз. Поэтому пузырьки газа в ютовых пищевых продуктах фиксируют путём термообработки, стабилизируют формированием мельчайших кристаллов сахара или добавкой стабилизаторов пены. Стабилизаторы ГДС преимущественно раснолатаются на поверхности пузырьков газа, образуя там прочную плёнку, которая усиливает сопротивляемость пузырьков к слипанию. Чтобы ГДС образовалась и моїла существовать, необходимо присутствие в системе поверхноептоактивных веществ — пенообразователей. Эти же вещества чаще всего выполняют и роль стабилизаторов ГДС. Обычно стабилизирующее действие пенообразо-
ваіелей усиливают добавкой веществ, связывающих воду. Желатин, агар, пектин и другие гидроколлоиды увеличивают вязкость жидкой фазы и стабилизируют, тем самым, ГДС.
С целью повышения пищевой ценности молочных иродукюп целесообразно использовать разнообразное сырье растительного происхождения, поскольку оно отличается хорошими іехнолотическими свойствами, содержит рашообразные биологически активные вещества (витамины, балластные углеводы, минеральные элементы), которые будут являться хорошим составляющим элементом молочно-расшіельньїх продуктов. Кроме тою, расти-тельное сырье является значительным резервом для всех отраслей пищевой промышленности. Существенно, что оно хорошо сохраняется в замороженном виде и незначительно изменяет свои пищевые и іехнолоіические свойства после размораживания в случае использования рациональных режимов.
В настоящей работе изложены результаты исследований по изучению закономерностей пенообразования молока в швисимости от его состава и свойств, наличия стабилизационных систем и плодово-ягодных добавок. Изучены и обоснованы технологические параметры производства молочных продуктов па основе газожидкостных дисперсных систем, показано влияние томогенизации, интенсивности взбивания и друїих технолотических факторов на качество і отовой продукции.
К практической реализации результатов работы следует отнести разработку технологии, рецептур и документации на пенообрашые молочно-растительные продукты, а также сведения, характеризующие их состат* и свойства, в том числе данные по динамике микробиолот ических показателей в процессе хранения. В заключение показана эффективность выработки нового вида продукции.
Современные представления о механизме стабилизации пенообразной структуры молочных продуктов
Механизм формирования молочных пенообразных масс святи не только с изучением закономерности их получения, но и раскрытием природы усюйчивости. Терминология, описывающая проблему устойчивости, довольно неоднозначна. Для описания нестабильности пены используют термин «вспенивемость» {«foaininess»), который введен Бикерманом: 5 - (1.4), ш где v- объем стационарной пены, м3; со- объемная скорость подачи газа (представляет собой объем tarn, поступающего на поддержание сіационарного объема пены в единицу времени), м3/с.
Указывая на многочисленные недостатки и неопределенное!и уравнения 1.4, авторы [78] предлагают определять вспениваемосіь как продолжительность жизни пузырька пены в простейшей пенной структуре на поверх-носш расівора. Принципиальное огличие от определения, предложенного Бикерманом, состоит в том, что все пузырьки формирую іся при оірьше ОЕ капилляра и имеют одинаковые рашеры. І Іаблюдения проводятся не ш столбом пены, а за монослоем пузырьков на поверхности раствора. Число исчезнувших пузырьков в единицу времени можно определить по уравнениям: dN=-WNdt (1.5), N=N„eiU=Nl/e 1 (1.6), где W - вероятность исчезновения маркированного пузырька и единицу времени; N - число исчезнувших пузырьков ча время /; г- время, в течение которого их число сокращается в е раз.
В большинстве случаев исходят из сравнения энергии Гиббса, полученной ДИСИеріИрОВаНИеМ ОДНОЙ фаШ В ДруГОЙ, И СИСТеМЫ, СОСІОЯЩей И! лих же контакіирующих фаз, но не в диспергированном состоянии. У лио-фобных дисперсных систем меньшей оказывается зперіия Гиббса недиснер-іированньїх фаз, поэтому дисперсные сисіемьі считают неусюйчивыми [55, 59, 64, 65, 66].
Две фазы могут сущесівовагь в однокомпонеитиой системе в равновесии юлько при наличии устойчивой границы радела между ними, не проявляющей іенденции к самопроизвольному увеличению (термодинамически устойчивой при постоянных темпераіуре и объеме системы). С макроскопической точки зрения это означает, что с поверхностью связана некоторая знеріия, іак что общая свободная энергия системы не является суммой шер-гии двух объемных фаз, а включает еще избыючную свободную зперіию, пропорциональную площади S поверхности раздела фаз - свободную поверхностную знеріию Fs; F S = aS (1.7), іде с- удельная (приходящаяся на единицу площади поверхности) свободная поверхносіная энергия (поверхностное наїяжение), Дж/м" или Н/м. Поверхностное натяжение можно ірактовать и как силу, действующую вдоль поверхности раздела (тангенциально к ней) и препятствующее ее увеличению. Наличие наповерхносш раздела фаз избытка энергии означає!, чю для образования новой поверхности іребуется совершить рабоїу, поэтому величина ст одновременно представляє! собой работу обратимою изотермическою образования единицы поверхности. Доказано, что на устойчивость пенообрашых масс оказывают влияние три їлавньїх фактора - термодинамический, сірукіурпо-мехапический и ки-неіический, иерархию которых установить достаточно сложно [23, 39, 40, 89]. Считают, что кинетический фактор устойчивости мсжфаліьіх пленок связан с образованием стабилишрующих адсорбционных слоев ПАВ, кою-рые уменьшают скорость течения по каналам и пленкам. Действие адсорбционных слоев ПАВ как кинетического фактора устойчивости заключаеіся в стабилизации (уменьшении) скорости конвективною переноса, а также в увеличении Времени ЖИЗНИ ПеННЫХ ПЛеНОК ПрИ ВНешНИХ ВОІДЄЙСІВИЯХ.
Различают равновесную (эффект Гиббса) и динамическую (зффекі Ма-рангони) упругость пленок. Согласно Гиббсу, модуль унруюсш пленки (Е/, Н) определяется выражением: ЕГ 1 (1.8), ал где А - площадь поверхности пленки, м ; у- паїяжение пленки {Н/м").
Равновесная упругость проявляется в процессе, при котором между поверхностью и объемом пленки сохраняется равновесие. Она являеіся следе і-виєм понижения равновесной конценірации ПАВ при расіяжении пленки (неравновесная упругость соответствует растяжению при отсутствии равновесия в пленке) [33]. Следовательно, упругость пленок будет зависеть от толщины и концентрации ПАВ. С увеличением концен грации ПАВ при постоянной толщине пленки модуль упругости проходит череї максимум - начальный рост /, связанный с увеличением адсорбции, сменяется уменьшением Е/ вследствие ускорения диффушонною обмена. Следовательно, на любое внешнее воздействие в пенных пленках возникает противодействующая сила, которая после снятия напряжения способствует вешращению пленки в исходное состояние.
Направления интенсификации технологий пенообразных молочных продуктов
В настоящее время в мировой практике увеличивается выпуск функциональных, в том числе - пенообразных молочных продуктов. Для проиі-водсіва этих продуктов в традиционной технолоіии испольїуетея ряд аппа-ратв, установок, обеспечивающих измельчение, эмульгирование, смешивание и термическую обработку. Считают, что экономически целесообрашо іамеиить их одной роторно-пульсационной установкой (РПУ), обладающей небольшим энергопотреблением (большинство смесей готовиїся в течение одной минуты) и малыми габаритными размерами.
Реализация принципов безотходной технологии в молочной промышленности на основе комплексного использования всех компонентов молока привела к разработке новых комбинированных продуктов питания. Одной пі сіадий получения таких продуктов является процесс перемешивания компонентов с целью равномерного распределения различных добавок, вносимых в небольших количествах (аромаїизаторьі, консерванты, биодобавки, витамины и т. д.), по всему объему среды [35].
Агрегаты, включающие в свой сосіав смесиїели непрерывною действия и дозирующие устройства, занимают важное место во многих технологических линиях по производству жидких комбинированных продукюи питания. В большинстве случаев целесообразно использовать недорогие и простые в эксплуатации дозаторы объемною типа. Их главный недостаток -большая поірешность дозирования по сравнению с более дорогостоящими дозаторами весовою типа, что приводит к снижению ироизводиіельности, большому расходу энерт ии и, безусловно, отрицательно сказывается на качестве ютового продукта, особенно при соотношении смешиваемых компоненте 1:100 и даже 1:104 [102J. Эта актуальная задача може і быть решена при интенсификации процесса перемешивания в роторно-пульсационнои установке. Установки роторно-пульсационного типа относятся к эффективным малообъемным аппараіам, хорошо зарекомендовавшим себя в различных технолотических операциях, связанных с обработкой дисперсных сисіем. Они используются для интенсификации процессов юмогенизации, диспергирования, эмульгирования, аэрирования и др. [107]. Подобная интеисифика-ция обусловлена многофакторным воздействием (механическим, іидродина-мическим, гидроакустическим) на обрабашваемую жидкую гетерої енную среду [106]. Известны случаи применения РПУ при пастеризации и стерилизации молока при пониженных температурах [104].
Анализ технологических возможностей РПУ показал их эффективное использование в разных областях промышленности: химической, металлур-I ической, юрнодобывающеЙ, топливно-энергетической, фармацевтической, косметической, в машиностроении, а также пищевой промышленности. РПУ используют в приготовлении эмульсий, суспензий и друїих дисперсных систем, применяемых в различных отраслях хозяйства, при получении лекарственных препаратов, кремов, мазей, в приготовлении витаминных препаратов, смазочно-охлаждающих жидкостей, производстве каучуковых комиошций и пр. В пищевой промышленности подобные установки хорошо зарекомендовали себя в процессах смешения и гомогенизации комбинированных продуктов питания, обогащенных витаминами и минеральными элементами при получении карамельной массы [105], в молочных десертах с взбитой структурой [101], в производстве плодово-ягодных и овощных соков с мякотью, в продуктах детского и диетического ииіания.
Целью роторно- юнкое измельчение дисперсной фазы, стабилизация распределения мякоти во взвешенном состоянии и предупреждение расслаивания продукта пульсационной обработки, например, илодово-овощных суспензий является. Применяемые в пищевой промышленноеш для mix целей измельчители имеют ряд иедосіагков, не решают полностью задачи тонкою измельчения плодово-овощного сырья. Имеющийся ОПЫ1 использования РПУ при производстве различных пищевых продуктов покаїьівает возможность интенсивной, непрерывной гомогенизации продуктов и работоспособность гомогенизатора в промышленных условиях бе установки в технологической схеме специальных насосов для гранспоршровки продукш.
РПУ достаючно просіьі в конструкции, их изготовление не требует сложных іехнологий, они надежны и эффективны в эксплуатации. Низкая энергоемкость РПУ обусловлена і см, что обрабатываемая среда являсіся одновременно и источником и объектом гидромеханических колебаний. В РПУ отсутствую] промежуточные трансформаторы энергии, механическая энергия непосредственно преобразуется в акустическую и кавитационную энергию, благодаря чему КПД действия аппарата достаточно высок.
Основу консірукции аппарата сосіавляеі роторно-пульсациониое уст-ройеіво, представляющее собой набор вращающихся (роторных) и неподвижных (стаюрных) перфорированных цилиндров {или вращающихся с различными угловыми скоростями), через которые в радиальном направлении движеіся обрабаїьіваемая среда.
Конструкции и технологические особенности рабоїьі пульсационных аппаратов роторною типа классифицированы во многих рабо і ах [90, 91, 92, 93, 94, 95]. Наибольшее распространение получила классификация М.А. Ьа-лабудкина. Рассмотрим ее более подробно, выделим и охарактеризуем факторы классификации [91].
Объекты исследований
При выполнении рабоїьі использовали общепринятые, стандартные и оригинальные методы исследования.
Отбор и подготовку проб к анализу проводили по ГОСТ 3622, ГОСТ 13928, ГОСТ 26809, ГОСТ 9404.
Способность к формированию ГДС (пенообразующую способносіь) определяли но плотности, которая изменяется в результате газонасыщения восстановленною обезжиренного молока. Устойчивость ГДС за определенную продолжительность времени вычисляли как опшшение начальной высоты ГДС к конечной и выражали в процентах [134].
Состояние дисперсной фазы (пузырьков газа) определяли после замораживания образцов в атмосфере азота с последующим микрокопированием в проходящем свете [45, 124, 134]. Резулыаты исследований представляли в виде интегральных кривых.
Массовую до но влаги в молочных продуктах определяли по 1 ОС Г 3626. Метод основан на выделении влаги из исследуемого объекта при по-сюянной температуре.
Масовую дочю белка определяли по ГОСТ 25179 рефракюмеїрически и меюдом формольного титрования. В качестве арбитражного использовали полумикрометод Къельдаля [91].
Массовую дано лактозы определяли фотоколометрически по методу Марье и Буле [91]. Метод основан на реакции моно-, ди- и полисахаридов, их производных, включая метиловые эфиры со свободными редуцирующими [руппами, способными окрашиваться от светло-желтого до желю-коричневою цвета при воздействии фенола и концентрированной серной кислоты.
Массовую долю сахарозы определяли методом йодометрическою іит-рования по ГОСТ 3628 (арбитражный метод). Метод основан на окислении редуцирующих Сахаров (лактозы, глюкозы), содержащих альдегидную і рунну, йодом в щелочной среде. Массовую долю сахарозы вычисляли по разпо-сіи между количеством вїяіоіо и неизрасходованно!о йода, определяемого титрованием бисульфата натрия.
Титруемую кислотность определяли по ГОСТ 3624. Метод основан на нейтрализации кислот и их солей, содержащихся в продукте, расівором едкой щелочи в присутствии индикатора фенолфталеина.
Активную кисчотность измеряли на потенциометрическом анализаш-ре по ГОСТ 26781.
Микробиологический анатз готовых продуктов проводили согласно Саніїин 2.3.2.1076-01 по стандартным методикам с учетом методических указаний МУ 4.2.727-99. Оріанолептические показатели ютовых молочных десерюв оценивали по методике, изложенной в [113], с учетом коэффициентов весомости. Математическую обработку полученных реїулмагов проводили по проіраммам пакетов Excel и Statislica. Для оптимизации использовали симплексный меюд Недлера-Мида.
Влияние іехнологических факторов на процесс пепообразования молока оценивали методом полного факторного эксперимент. Лдекваїность полученных уравнений регрессии экспериментальным данным проверяли но кршерию Фишера (Fp). Доверительную ошибку коэффициентов уравнения реірессии рассчишвали по кршерию Сгыодента t {р, f)
Достоверность экспериментальных данных определяли методом математической статистики на ЭВМ [14, 57, 143].
Изучение влияния способов внесения расшгельною сырья на закономерности формирования молочных ГДС
Полученные ре їул ы а і ы являются необходимыми для создания новых видов молочных аэрированных продуктов. Объединяющим условием для их выработки является использование стабилизационной системы и интенсивное гидромеханическое воздействие. В качестве наполнителей использовали раз-личное растительное сырье, а именно - концентрированные соки (яблочный, клюквенный, брусничный, ежевичный и др.). Практические аспекты создания молочных аэрированных продуктов с использованием указанною плодово-ягодного сырья, их состав и свойства, приведены в насюящей главе.
Расход сырья на выработку 100 кг молочных аэрированных продуктов учиїьшаїот по фактическим затратам, но не более действующих норм сырья, утвержденных в установленном порядке. Для изготовления аэрированных мол очно-растительных продуктов использовали концентрированные ягодные соки, ил отопленные по ТУ 9163-042-0159759-01. Их состав и свойства приведены в табл. 3.16.
Установлено, что концентрированные ягодные соки содержат весьма ценные в пищевом отношении вещества, обладающие витаминными свойствами (каротиноиды, биофлавоноиды). Относительно высокое в их составе содержание аскорбиновой кислоты (до 30-40% от рекомендуемой нормы в 100 г) обусловлено применением специальных методов обрабоїки (в і ом числе удалением влаги под вакуумом), а также присутсівием веществ, стабилизирующих содержание витамина С (органические кислоты, аншоксиданты).
Технологический процесс производства аэрированных молочно-растительпых продуктов осуществляют в следующей последовательносіи: воссіановление сухого обезжиренного молока; подготовка составных компонентов, составление смеси; пастеризация смеси; охлаждение до нужной іемперагурьі; аэрирование (іазонасьіщение); маркировка, упаковка; охлаждение; хранение.
После упаковки іехнологический процесс считается законченным и продукт ютов к употреблению.
Подіоювка сырья: стабилизационную систему просеивают, при необходимости промывают, сахар-песок просеивают. Молочную основу изготовляют любым доступным способом, охлаждают до температуры 4-6(,С, соединяюі со сіа-билизационной сиеіемой и сахаром, полученную смесь перемешиваю і и выдерживают для набухания 1,0-1,5 часа, пастеризуют при температуре 95-97(ІС в іече-ние 5-7 минут; охлаждают до нужной іемпературьі и далее проводят газонасыщение мри 2500-3000 об/мин в течение 3-3,5 мин с концентрированным яблочным соком. Готовый продукт фасуют и охлаждают до температуры 2-8С. Концентрированный сок вносят на заключительной стадии (при газонасыщении).
С целью установления рациональных режимов хранения изучали микро-биолої ические характеристики разработанных аэрированных молочно-раештельиых продуктов. В качестве рекомендаций ислользов&пи СанПиіІ 2.3.2.1076-01, МУ 4.2727-99 (методы контроля, биологические и микробиологические факторы, і иі ионическая оценка сроков готовности пищевых продуктов). Результаты проведенных исследований приведены в табл. 3.18.
Полученные результаты свидетельствуют о том, чго изменение численности микроорганизмов в молочных основах зависит от интенсивное і и процесса [ азонасыщения: чем быстрее формирование дисперсной фазы, тем более значительней является численность микроорганизмов. Так, использование диеперга-тора-взбивателя позволяет получить молочную основу, удовлетворительную по микробиологическим показателям и хранившуюся в течение семи суток; увеличение интенсивности процесса за счет принудительного газонасыщения повышает численность микроорганизмов в среднем на 7-50%. Усыновленный факт можно объяснить пропусканием больших объемов газа (в данном случае возу-ха) через молочную основу, которая выступает в виде филыра, сорбирующего на себе микроорганизмы.
Аналої ичная закономерность установлена при использовании интенсивных і идромеханических воздействий для газонасыщения с іем лишь оіличием, что КМЛФЛнМ, вероятно вследствие акустических колебаний в рабочих зонах аппаратов не приводні к гибели клегок. Это не противоречиї результатам исследований, проведенных ранее [116].
В процессе хранения (в течение регламентированного периода) вменения ортанолепгических характеристик обращов аэрированных молочно-растигельных продукіов выявлено не было. После 64 и 80 часов хранения аэрированные молочно-растительные продукты характеризовались следующими органолептическими показателями.
По физико-химическим показателям аэрированные молочные продукты должны соответствовать требованиям, указанным в табл. 3.20.
Расчет экономической эффективности аэрированных молочных продуктов проводился по расценкам на 01.09.2005 г.
Смета шірат на сырье и основные материалы, необходимые для производства аэрированных молочных продуктов занесена в табл. 3.21. Полная себестоимость аэрированных молочных продуктов формируется с учетом сгаїей затрат на производство продукции (табл. 3.22).
Как видно из табл. 3.22, наибольший удельный вес в затратах шнимает сырье. Себестоимость готового продукта в наибольшей степени зависиг от стоимости сырья. Прибыль от реализации продукции определяемся по формуле: П=(Сп-Р)/100% (3.2), где 11 - прибыль oi реализации, руб.; Сп - полная себестоимость изделия, руб.; Р - рентабельность (по пищевой промышленности 20%) Аэрированный продукт «Брусничный», «Клюквенный», «Облепиховый», «Черносмородиновый»: П, = (4405,2 20) /100 - 881,04 руб. Аэрированный продукт «Голуоичный», «Ііжевичньїй», «Клубничный», «Красносмородиновый», «Малиновый», «Жимолосшый», «Черноплодный»): П2 = (4573,3 - 20) /100 = 914,7 руб.
